不同纖維橡膠混凝土力學(xué)特性試驗(yàn)及微觀結(jié)構(gòu)

姚韋靖，柏夢(mèng)宇，張 琴，龐建勇

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

目前廢棄物資源化利用受到廣泛關(guān)注，廢舊橡膠由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，若棄于地表或埋于地下，則難以降解且占用大量土地資源。而我國(guó)混凝土材料每年消耗量巨大，因而開(kāi)發(fā)出橡膠混凝土(Rubber concrete，RC)，橡膠輕質(zhì)、高彈性、粘性等特性可降低混凝土容重，提高延性、韌性、抗裂，且兼具隔熱隔音及減震降噪等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)路面路基工程，有效解決了廢舊輪胎橡膠占地和環(huán)境污染等問(wèn)題[2]。

但橡膠的摻入會(huì)造成混凝土類水泥基材料強(qiáng)度、彈性模量降低，試驗(yàn)表明以等體積取代法摻入橡膠替代20%砂后，強(qiáng)度損失率超過(guò)35%[3]。摻入纖維作為水泥基材料高性能化的主要途徑，目前已有研究。鋼纖維和聚丙烯纖維作為典型的高彈性模量和低彈性模量纖維，常單摻或復(fù)摻混凝土中加以研究[4]，如文獻(xiàn)[5-6]認(rèn)為混雜纖維摻入使得混凝土呈明顯的塑性破壞特征，提高了材料的抗拉、抗裂、抗彎強(qiáng)度；文獻(xiàn)[7]認(rèn)為摻入混雜纖維可以提高試件的抗剪能力，對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度有提高作用；文獻(xiàn)[8]認(rèn)為混雜纖維有效提高了混凝土結(jié)構(gòu)的耗能能力和延性；文獻(xiàn)[9-10]采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等方法對(duì)兩種纖維混凝土增韌及耗能機(jī)理進(jìn)行了探討，得出兩種纖維增韌值最大時(shí)纖維摻量。玄武巖纖維是一種新興的環(huán)保型無(wú)機(jī)纖維材料，屬低彈性模量纖維，將其摻入混凝土中能顯著降低材料的脆性、提高其韌性和抗裂性[11]。也有學(xué)者將上述三種纖維材料摻入橡膠混凝土中，探究其對(duì)力學(xué)性能、各服役環(huán)境下耐久性的影響，證實(shí)纖維的有益作用。如文獻(xiàn)[12]開(kāi)展了鋼纖維橡膠混凝土單軸受壓試驗(yàn)研究，得到了單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€數(shù)學(xué)表達(dá)式；文獻(xiàn)[13]認(rèn)為橡膠摻入顯著提高混凝土的抗?jié)B性和抗沖擊性，摻入玄武巖纖維取得較好的阻裂和增韌效果；文獻(xiàn)[14]研究了聚丙烯纖維混凝土對(duì)于抗?jié)B、抗氯離子滲透等特性的影響。雖然纖維種類繁多，但是制備纖維混凝土中的纖維摻量多為經(jīng)驗(yàn)取值。因此對(duì)橡膠混凝土中不同種類纖維的最優(yōu)摻量及作用機(jī)理的探究，仍然是增強(qiáng)纖維橡膠混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵問(wèn)題。

宏觀上， 鋼纖維結(jié)構(gòu)較為致密， 屬典型的高彈性模型纖維，而聚丙烯和玄武巖纖維類似， 屬低彈性模量纖維。 文獻(xiàn)[15]認(rèn)為纖維可以顯著抑制裂縫的擴(kuò)展， 高彈性模量纖維可以顯著提高材料的強(qiáng)度，而低彈性模量纖維會(huì)大大增加材料的延性、韌性。

本文以橡膠混凝土作為對(duì)照組，摻入鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維制備纖維橡膠混凝土，測(cè)試各組混凝土立方體抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度，得出各組試件纖維的最佳摻量，通過(guò)電鏡掃描從宏觀和微觀揭示纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

膠凝材料采用P·C42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為29.99MPa和49.75MPa，密度1 910kg/m3，比表面積1.477m2/g，細(xì)度342m2/kg，燒失量3.5%，標(biāo)準(zhǔn)用水量25.9%，初凝和終凝時(shí)間分別為165min和220min；粗骨料采用石灰質(zhì)碎石，粒徑5～20mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2 787kg/m3，堆積密度1 449kg/m3；細(xì)骨料采用淮河中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，表觀密度2 347kg/m3，堆積密度1 379kg/m3，含泥量2.7%；橡膠，粒徑20目(0.850mm)，表觀密度890kg/m3，堆積密度980kg/m3，水分≤0.8%；外加劑為高性能減水劑。

鋼纖維采用剪切波浪線型鋼纖維， 密度7.85g/cm3，彈性模量200GPa，長(zhǎng)度33～36mm， 寬度0.8～1.0mm， 厚度0.5～0.7mm， 抗拉強(qiáng)度≥1 000MPa；聚丙烯纖維采用單絲束狀聚丙烯纖維，密度0.91g/cm3，彈性模量3.5～4.5GPa，長(zhǎng)度10～51mm，直徑0.02～0.05mm，延伸率15%～18%，抗拉強(qiáng)度500～600MPa；玄武巖纖維，密度2.65g/cm3，彈性模量113GPa，長(zhǎng)度15mm，直徑0.015mm，延伸率2.4%～3.0%，抗拉強(qiáng)度90～110MPa。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)以不同纖維和摻量為研究參數(shù)。采用等體積替代法，即一定質(zhì)量橡膠顆粒取代相同體積砂子，橡膠顆粒質(zhì)量為拌合物中膠凝材料質(zhì)量的5%；鋼纖維摻量為混凝土體積率的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%； 聚丙烯纖維摻量為混凝土體積率的0.05%、 0.10%、 0.15%、0.20%、0.25%、0.30%；玄武巖纖維摻量為混凝土體積率的0.06%、0.12%、0.18%、0.24%、0.30%、0.36%。具體數(shù)據(jù)如表1所示，其中RC為橡膠混凝土(Rubber concrete)，SFRC為鋼纖維橡膠混凝土(Steel fiber rubber concrete)，PFRC為聚丙烯纖維橡膠混凝土(Polypropylene fiber rubber concrete)；BFRC為玄武巖纖維橡膠混凝土(Basalt fiber rubber concrete)。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

采用尺寸為100mm×100mm×100mm立方體試塊和400mm×100mm×100mm棱柱體試塊，成型1d后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(相對(duì)濕度≥95%，溫度為(20±1) ℃)養(yǎng)護(hù)至28d。測(cè)試各組試件立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，其中100mm×100mm×100mm立方體試塊用于測(cè)試抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度，400mm×100mm×100mm棱柱體試塊用于三點(diǎn)法測(cè)試抗折強(qiáng)度，共有19組混凝土，每組3個(gè)試件，總計(jì)171個(gè)。

使用上?？v橫三思公司產(chǎn)WAW-2000微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后從壓碎的試塊中取樣，采用日立產(chǎn)S-3400N型掃描電子顯微鏡分析纖維橡膠混凝土微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

混凝土試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。纖維加筋材料摻入橡膠混凝土中，相較于RC，SFRC、PFRC、BFRC抗壓強(qiáng)度均有不同程度提高，且隨纖維摻量增加，強(qiáng)度經(jīng)歷先增長(zhǎng)后降低的變化過(guò)程，即存在最優(yōu)纖維摻量。對(duì)于SFRC，鋼纖維摻量為1.0%時(shí)最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度較RC提高約13.87%；對(duì)于PFRC，聚丙烯纖維摻量為0.15%時(shí)最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度較RC提高約20.44%；對(duì)于BFRC，玄武巖纖維摻量為0.18%時(shí)最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度較RC提高約11.31%。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，RC試件受壓后隨加載壓力增大試件裂紋迅速擴(kuò)張變寬，繼而出現(xiàn)裂紋、掉皮、剝落，達(dá)到極限荷載后瞬間下降，但具有彈性的橡膠緩沖了部分壓力，試件破壞聲音較?。粨饺肜w維后的試件受壓破壞過(guò)程類似，試件達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度后出現(xiàn)細(xì)小裂紋但沒(méi)有貫穿，荷載緩慢下降，試驗(yàn)結(jié)束后依舊保持較好的完整性，出現(xiàn)了裂而不散、破而不碎的延性破壞。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

混凝土試件抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。與抗壓強(qiáng)度類似，相較于RC，SFRC、PFRC、BFRC抗拉強(qiáng)度均有不同程度提高，依舊隨纖維摻量增加強(qiáng)度經(jīng)歷先增長(zhǎng)后降低的過(guò)程，存在最優(yōu)摻量。對(duì)于SFRC，鋼纖維摻量為1.5%時(shí)最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度較RC提高約37.94%；對(duì)于PFRC，聚丙烯纖維摻量為0.20%時(shí)最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度較RC提高約26.48%；對(duì)于BFRC，玄武巖纖維摻量為0.24%時(shí)最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度較RC提高約30.04%。

圖2 混凝土抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，RC試件在受壓時(shí)出現(xiàn)寬大裂縫，達(dá)到極限荷載時(shí)破壞并伴隨響聲，試件在劈裂面完整地?cái)嗔殉蓛蓧K，呈脆性破壞；而摻入纖維后，改善了混凝土脆性和韌性，試件均未出現(xiàn)完全的斷裂，試驗(yàn)結(jié)束后依舊保持較好完整性，呈延性破壞。

2.3 抗折強(qiáng)度

混凝土試件抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。與抗壓、抗拉強(qiáng)度類似，相較于RC，SFRC、PFRC、BFRC抗折強(qiáng)度有所提高，依舊隨纖維摻量增加先增長(zhǎng)后降低，存在最優(yōu)摻量。對(duì)于SFRC，鋼纖維摻量為1.5%時(shí)最優(yōu)，抗折強(qiáng)度較RC提高約32.82%；對(duì)于PFRC，聚丙烯纖維摻量為0.20%時(shí)最優(yōu)，抗折強(qiáng)度較RC提高約35.88%；對(duì)于BFRC，玄武巖纖維摻量為0.18%時(shí)最優(yōu)，抗折強(qiáng)度較RC提高約29.52%。

圖3 混凝土抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，RC試件在加載荷載達(dá)到峰值時(shí)出現(xiàn)突然斷裂，且裂縫發(fā)展較快，破壞聲音低沉，表現(xiàn)出一裂即斷的脆性破壞，破壞斷面呈鋸齒狀；而摻入纖維后，試件出現(xiàn)相似的破壞過(guò)程，隨荷載增加在試件底部正中位置出現(xiàn)裂紋，隨加載荷載增加向上延伸，但仍能承受荷載，達(dá)到極限荷載時(shí)，在試件底部出現(xiàn)較多細(xì)小的裂紋，整個(gè)試件保持完整，呈延性破壞。

2.4 拉壓比與折壓比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算各組混凝土的拉壓比、折壓比，如圖4所示。拉壓比、折壓比大致隨混凝土強(qiáng)度升高而降低，也間接反映了受壓時(shí)功能轉(zhuǎn)化變形能的分配比例關(guān)系，提高拉壓比是混凝土改性追求的目標(biāo)[16]。由圖4可見(jiàn)，相較于RC，SFRC、PFRC、BFRC拉壓比、折壓比均有不同程度提高。對(duì)于拉壓比，SFRC在鋼纖維摻量為1.5%時(shí)最高，較RC提高約22.72%；PFRC在聚丙烯纖維摻量為0.30%時(shí)最高，較RC提高約12.30%；BFRC在玄武巖纖維摻量為0.24%時(shí)最高，較RC提高約17.98%。對(duì)于折壓比，SFRC在鋼纖維摻量為1.5%時(shí)最高，較RC提高約18.16%；PFRC在聚丙烯纖維摻量為0.30%時(shí)最高，較RC提高約21.19%；BFRC在玄武巖纖維摻量為0.12%時(shí)最高，較RC提高約16.77%。

(a)拉壓比

2.5 纖維增強(qiáng)機(jī)制

造成上述試驗(yàn)現(xiàn)象的原因是，鋼纖維是高彈性模型纖維，在水泥基材料中形成不定向三維分布體系，波浪形的鋼纖維牢固嵌入混凝土基體內(nèi)，限制裂縫的發(fā)展；聚丙烯纖維和玄武巖纖維均是低彈性模量纖維，屬柔性纖維，兩類纖維可以較好地吸附于水泥基體中，填充其松散連接面，形成有效承載網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)裂縫發(fā)生后可以對(duì)裂縫周圍基體產(chǎn)生拉拽牽扯作用，提升強(qiáng)度的同時(shí)，形成多縫斷裂效果。而隨纖維摻量增加，一方面，兩類纖維不能承重，減小受壓承載面積；另一方面，纖維間相互干擾，影響水泥基密實(shí)與黏結(jié)性，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

從破碎的混凝土試件中取樣觀察橡膠與水泥基體連接的微觀結(jié)構(gòu)，如圖5所示。一方面，由圖5(a)可見(jiàn)，橡膠表面附著大量空氣，拌合時(shí)氣泡摻入，凝結(jié)硬化后造成水泥膠凝內(nèi)部的孔隙和裂縫增多；另一方面，由圖5(b)可見(jiàn)，橡膠作為憎水材料，表面無(wú)法與水泥砂漿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，界面過(guò)渡區(qū)裂紋、孔隙凸顯，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為承載力薄弱部位，因而較于普通混凝土強(qiáng)度降低[17]。

圖5 橡膠混凝土(RC)微觀結(jié)構(gòu)

觀察不同纖維與水泥基體連接部的微觀結(jié)構(gòu)，由圖6可知，即使在試件破壞后，纖維與水泥基體依舊緊密連接，高強(qiáng)度的纖維嵌固入水泥基體中，能夠有效阻止微裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展，減少裂縫的繼續(xù)產(chǎn)生，因而形成多縫斷裂的效果，宏觀表現(xiàn)為試件呈破而不碎的延性破壞。

(a)鋼纖維 (b) 聚丙烯纖維 (c) 玄武巖纖維

3 結(jié)語(yǔ)

(1)鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維作為加強(qiáng)筋摻入橡膠混凝土中制備纖維橡膠混凝土，隨纖維摻量增大強(qiáng)度先增加后下降，獲得了不同纖維的最優(yōu)摻量，纖維對(duì)RC抗拉和抗折強(qiáng)度提高幅度較對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高幅度大；拉壓比和折壓比均有不同程度提高。

(2)纖維摻入改善了混凝土破壞模式，高彈性模量的鋼纖維既可以有效承重，又增加水泥基體間粘結(jié)力；而低彈性模量的聚丙烯纖維、玄武巖纖維，可吸附于水泥基體中，填充松散連接面，裂縫發(fā)生后阻止裂縫開(kāi)裂，形成多縫斷裂。微觀分析表明纖維在試件破壞后依然與水泥基體嵌固連接，保證試件完整、裂而不碎。

(3) 本文制備了典型高彈性、低彈性模量纖維橡膠混凝土，得到單類型纖維摻入下混凝土靜態(tài)力學(xué)性能最優(yōu)摻量，但不同類型纖維起到了不同增強(qiáng)效果，利用復(fù)合纖維可以有效提高橡膠混凝土力學(xué)性能，改善破壞模式呈延性破壞，因此通過(guò)合理混雜和試配是研發(fā)復(fù)合纖維混凝土材料最佳配比的關(guān)鍵和下一步的研究方向。